一种基于FPGA的分布式多通道可配置电生理刺激装置

一种基于fpga的分布式多通道可配置电生理刺激装置
技术领域
1.本发明属于脑电刺激领域，具体涉及一种基于fpga的分布式多通道可配置电生理刺激装置。


背景技术：

2.电生理刺激装置是脑机接口技术中对大脑反馈刺激的关键设备。目前，国内外已经有多种型号的类似的电生理刺激装置，但都存在一些问题。部分刺激装置体积较大，比较笨重，而且输出的刺激波形不够灵活；而部分体积较小的刺激器又只能输出一路刺激信号，且输出范围较小，不能很好的满足实验需求。
3.具体地，现有的电生理刺激装置一般采用单处理器的架构，且通过 usb接口与pc机进行通讯。部分刺激装置甚至采用旋钮来控制输出，精度较低。所以传统的刺激装置一般具有以下缺点中的一个或多个，具体为：
4.(1)采用单个mcu或者单个fpga芯片进行控制，灵活性较差，且都无法做到刺激波形控制代码的在线更新，不方便后期维护更新。
5.(2)采用usb接口传输pc机上的命令，扩展性与灵活性不够高，且传输数据速率较慢，延时较大。
6.(3)体积与刺激波形输出范围、通道数不能够兼顾，大部分现有的刺激装置因为要保证较大的电压电流输出范围以及较多的输出通道数，体积较大，安装不够方便。现有的体积较小的刺激装置又无法具有很宽的电压电流输出范围，且输出通道数也较少，往往同时只能有一路输出。
7.现有专利文献cn207924454u公开了一种电刺激信号发生装置及电疗设备，在该电刺激信号发生装置中，信号发生单元用于产生并输出至少一路驱动信号；调制单元用于对至少一路驱动信号进行调制，获得并输出至少一路调制后驱动信号；功率放大单元用于根据至少一路调制后驱动信号产生刺激电流；电流采集单元用于接收刺激电流的参数，处理器输出基于刺激电流的参数获得的第一控制信号给信号发生单元。该装置通过电流采集单元采集的参数，使得处理器生成第一控制信号以控制信号发生单元，有助于操作人员根据需求控制产生的刺激电流波形和强度。但是仍然存在上述缺点问题。
8.现有专利文献cn110559554 a公开了一种融合经颅电刺激和迷走神经刺激的电刺激装置，由经颅电刺激模块和迷走神经电刺激模块组成，经颅电刺激模块由arm控制单元、fpga波形发生单元和模拟电路组成， arm控制单元将控制命令波形参数信息通过fsmc发送给fpga，fpga 波形产生单元产生四通道数字波形信号，首先通过数模转换电路转换为四通道模拟信号波形，然后通过初级放大电路进行放大，然后通过滤波电路滤除除了波形信号以外的干扰信号，再经过次级放大电路将波形放大到控制单元要求的波形幅值进行输出。该技术方案由于arm控制单元与fpga 波形发生单元通过串口连接，所以不能实现拓扑，不能满足实际应用需求。


技术实现要素：

9.鉴于上述，本发明的目的是提供一种基于fpga的分布式多通道可配置电生理刺激装置，以解决传统电生理刺激装置不够灵活、无法协同工作、无法适用于需要同时进行多组电生理实验的场景、体积与性能无法兼顾等问题。
10.为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
11.一种基于fpga的分布式多通道可配置电生理刺激装置，包括交换机，与交换机通信连接的多个上位机和多个刺激节点；
12.每个刺激节点包括fpga、d/a以及信号调理电路，接收的网络数据包通过fpga解析、d/a模数转换以及信号调理电路生成电生理刺激波形；
13.交换机通过千兆网络与每个pfga通信，以使每个刺激节点在交换机上自由挂载，组成分布式刺激节点；上位机通过交换机对任意数量刺激通道的控制。
14.在一个实施例中，所述fpga通过rgmii接口接收千兆网的网络数据包。
15.在一个实施例中，上位机通过交换机选择任意刺激节点发送数据，以实现对任意刺激节点的自由控制。
16.在一个实施例中，每个刺激节点的fpga连接多个d/a，每个d/a 连接一路信号调理电路，每个d/a与信号调理电路形成一个波形输出通道，用于输出生理刺激波形，其中，信号调理电路为电压调理电路或电流调理电路。
17.在一个实施例中，每个刺激节点的fpga连接4个d/a。
18.在一个实施例中，所述电压调理电路的主通道生成-35v～+35v宽范围的可调电压信号并输出，所述电压调理电路的副通道生成-18v～+18v的可调电压信号并输出。
19.在一个实施例中，所述电流调理电路生成0～1ma范围可调恒流并输出。
20.在一个实施例中，所述电生理刺激波形的数据格式为自定义格式，包括：每个完整脉冲周期(t1)之间的刺激间隔，在每个完整脉冲周期中包含刺激等待(a1)、刺激间隔(a2)、放电时间(a3)、负脉冲宽度(b1)、正脉冲宽度(b2)、负脉冲幅值(c1)、正脉冲幅值(c2)。
21.在一个实施例中，电生理刺激波形的各参数通过上位机进行配置。
22.与现有技术相比，本发明具有的有益效果包括：
23.本发明采用千兆以太网进行命令的传输。数据传输具有稳定、可靠、实时的特点；可实现任意个刺激节点的控制，即刺激通道数可任意控制，相对于传统电生理刺激装置固定的通道数具有无可比拟的优势，
24.本发明可适用于需要同时进行多组电生理刺激操作的实验。通过网络交换机可实现同一上位机同时控制多个刺激节点协同配合进行多组独立电刺激操作的电生理实验，也可实现多个上位机协同配合控制多个刺激节点进行电生理实验，具有很强的灵活性。
25.本发明可实现从采集端等其他具有网口的设备到刺激节点数据的直接传输，从而让使用本刺激装置具有很低的处理延时，能够及时对采集端采集到的特殊信号进行刺激相应。
26.本发明在保证输出电刺激波形范围较大的同时控制了装置体积，具有体积较小，电压输出范围较大的特点。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
28.图1(a)和图1(b)是实施例提供的基于fpga的分布式多通道可配置电生理刺激装置的结构示意图；
29.图2是实施例提供的电生理刺激波形示意图；
30.图3是实施例提供的fpga的结构示意图。
具体实施方式
31.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
32.图1(a)和图1(b)为实施例提供的基于fpga的分布式多通道可配置电生理刺激装置的结构示意图。如图1所示，实施例提供的基于fpga 的分布式多通道可配置电生理刺激装置包括交换机，与交换机通信连接的多个上位机和多个刺激节点；每个刺激节点包括fpga、d/a以及信号调理电路，接收的网络数据包通过fpga解析、d/a模数转换以及信号调理电路生成电生理刺激波形；交换机通过千兆以太网与每个pfga通信，以使每个刺激节点在交换机上自由挂载，组成分布式刺激节点；上位机通过交换机对任意数量刺激通道的控制。
33.由于该刺激装置通过千兆网口可根据不同实验要求自由增删刺激节点，具有很强的灵活性。在需要进行电生理刺激时，由上位机选择刺激节点，配置网络包数据，经由交换机将网络包传输给相应刺激节点，也可由其它设备通过网络将刺激命令发送给相应刺激节点。
34.由于该刺激装置构具有分布式特性，可适用于需要多组电生理刺激操作同时进行的实验场景，也适用于需要多个上位机和前端设备协同配合对于刺激节点操作的实验场景。这是现有电生理刺激装置无法做到的。由该刺激装置构成的分布式系统，也可在一些特殊情况下做出及时的刺激响应，通过千兆网口，各个刺激节点可直接接收来自前端设备的刺激命令，对特殊信号能做到很低的延迟响应。
35.实施例中，每个刺激节点的fpga连接四个d/a，四个d/a连接分别连接的信号调理电路形成四个刺激通路，四个刺激通路分别为范围为
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35v～35v的电压主通道、范围为-18v～18v的电压副通道；以及两个电流刺激通路，在千欧级负载下电流输出可达1ma。
36.实时汇率中，实施例中，波形数据格式为自定义数据格式：如图2所示，波形数据包含每个完整脉冲周期(t1)之间的刺激间隔，在每个完整脉冲周期中包含刺激等待(a1)、刺激间隔(a2)、放电时间(a3)、负脉冲宽度(b1)、正脉冲宽度(b2)、负脉冲幅值(c1)、正脉冲幅值(c2)。
37.在一个完整电生理刺激波形的生成过程中，首先由图1(a)所示的上位机或者其他设备生成包含通道选择、刺激模式、刺激次数、刺激间隔、脉冲宽度及幅值等相关配置信息的udp网络包数据，经由交换机发送给目标刺激节点。如图1(b)所示，刺激节点通过千兆网
口接收到来自上位机的udp网络包数据。如图3所示，fpga对该网络包进行解析产生符合d/a输入格式的数据，并通过内部fifo进行缓存解析出来的数据。d/a 根据输入的数字信号数据生成模拟信号波形，再经过放大电路得到完整的电生理刺激波形。
38.与现有的电生理刺激装置相比，上述提供的基于fpga的分布式多通道可配置电生理刺激装置具有分布式、体积小、高实时性、宽电压刺激范围、高自动化程度、高灵活性、高时间精度、高分辨率等特点。在脑机接口技术中具有深远的应用前景。
39.以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。